SiO2 气凝胶材料在建筑墙体保温中的应用研究

李斌斌

（1 建华建材（中国）有限公司；2 江苏省先进土木工程材料协同创新中心）

0 引言

能源消耗已成为当前人类发展社会的主要问题之一，建筑业消耗大量能源并排放大量二氧化碳[1]，因此，减少建筑能耗是实现减少碳排放的关键组成部分。墙壁隔热材料是影响建筑节能的重要因素，墙体材料的节能贡献度在建筑节能中可达到30%～75%[2]。隔热保温材料是一种能显著降低热通量的材料。

在建筑材料领域，气凝胶材料具有优良的保温隔热、热导率低、质轻、阻燃、防潮、隔音和环保等优势，非常适合用作建筑结构的保温节能墙体材料[3]。其中SiO2气凝胶材料具有质量轻、密度低、比表面积高、热导率低和透光性高等特性，使得其成为一种新型纳米轻质、多功能、节能环保的材料[4]。正是由于SiO2气凝胶具有优良的保温隔热性能和质量轻、耐火、环保等优良特性[5]，相比于传统保温墙体材料具有更大的功能优势，因而受到人们广泛的关注。鉴于此，开展SiO2气凝胶材料在建筑墙体节能保温隔热中的研究和应用具有重大的现实意义。本文将从SiO2气凝胶的本身特性出发，介绍SiO2气凝胶材料在现在和未来保温墙体材料中的应用构想。

1 气凝胶介绍

气凝胶密度极低，是世界上最轻的固体。“全碳气凝胶”是目前密度最小的一种气凝胶，仅为0.16mg/cm3（去除空气密度），是空气密度的1/6[6]。气凝胶一般是由粒径为1～20nm 的颗粒和孔径为2～50nm 的孔结构两部分组成的，且孔隙率达90%以上。水凝胶是在1930 年由Kistler[7]发现的，他以水玻璃为原料，采用超临界干燥法制备出来的。

目前SiO2气凝胶的制备原料有：水玻璃、多聚硅氧烷、正硅酸乙酯和酸作为催化剂等。SiO2气凝胶的制备过程主要包括溶胶－凝胶和湿凝胶的干燥处理两个过程。通过溶胶—凝胶法制得的湿凝胶孔隙中充满了液体，需要通过干燥处理过程，即用空气代替溶液填充孔隙而得到气凝胶[8]。

空气中的热传导一般是依靠分子之间的热运动及其碰撞产生热量的传递，高温和高速运动的分子将热能传递给低温低速的分子。根据热力学，O2和N2的分子自由程约70nm，而气凝胶的孔径一般在2～50nm，并且气凝胶的孔隙率达90%以上，所以气凝胶内部孔隙中气体分子涌动的热对流运动将会停止。并且固体热传导也不是很明显。气凝胶还具有较高的比表面积、很低的表观密度和较低的折射指数。气凝胶可有效减少热能的传递，降低导热系数，提高保温性能。因此气凝胶可广泛用作新型的隔热墙体材料。

气凝胶的缺点是力学性能较差。因而目前不能使用纯的气凝胶材料作为墙体材料，也不宜单独用于墙体的内外表面[9]。可将气凝胶材料与力学性能较好的玻璃纤维毡、砂浆及具有良好物理性能的涂料进行复合得到气凝胶毡、气凝胶砂浆[10]、气凝胶混凝土[11]、气凝胶涂料等气凝胶保温材料。由于兼具优良的保温隔热性能和力学性能，所以可作为保温隔热墙体材料。

2 气凝胶材料在墙体材料中的应用

建筑保温隔热类墙体材料种类繁多，常用分类和性能比较可见表1。相比与传统的墙体保温材料，气凝胶在保温隔热性能和透光率，防火性能等方面具有更加明显的优势。

2.1 新型气凝胶墙板材料

在900～1000℃的温度下，珍珠岩可转变为膨胀珍珠岩，相比于珍珠岩，膨胀珍珠岩[12]具有多孔、轻质、隔热、无毒无味、成本低等优点。王亮等[13]结合珍珠岩较低的导热系数和疏水功能，在膨胀珍珠岩的内部填充气凝胶，可合成一种新型的保温材料--气凝胶膨胀珍珠岩。并可用硅烷偶联剂KH-550 可以作为结合层，提高了抗压强度。羟丙基甲基纤维素的联结作用更明显。经过不断优化，羟丙基甲基纤维素和高效聚羧酸减水剂作外加剂可制得导热系数低至0.062W/(m·K），抗压强度为4.39MPa的保温隔墙板。

图1 气凝胶墙板材料

表1 不同保温材料种类性能的对比

2.2 气凝胶毡

石家宽[14]以塑料薄膜和气凝胶毡组合体系覆盖UHPC 蒸汽养护过程为研究对象，分析了气凝胶毡与塑料薄膜的保温隔热性能；对不同边界下UHPC 构件养护全过程进行数值求解，提出了：①气凝胶毡组合体系的保温隔热性能优于塑料薄膜，且气凝胶毡组合体系的保温隔热性能随其厚度的增加而逐渐改善；②可采用24kW 功率的锅炉对气凝胶毡组合体系全覆盖UHPC 进行养护。

图2 纳米SiO2 气凝胶毡

石墨烯气凝胶被称为碳海绵、碳泡沫，是以石墨烯为基本结构单元，各片层通过弯曲反卷，堆积折叠的方式形成一种三维的立体式结构。不仅具有质量轻，密度小，孔隙率高的特点，又兼具石墨烯的优良的性能。

2.3 新型气凝胶绝缘涂料

基于（超级）绝缘材料SiO2气凝胶可作为填料加入到涂料中，制成SiO2气凝胶隔热涂料[15]。它由矿物和/或有机水硬性粘结剂，包含疏水性SiO2气凝胶颗粒（或这种材料的粉末）的绝缘填料，结构化填料（可选）和添加剂（可选）组成。气凝胶颗粒是在专门的工厂中由在高度特定条件下加工和干燥的二氧化硅有机凝胶单独制造的工业产品。因此，砂浆由这些气凝胶颗粒制成，这些颗粒以某种方式替代了常规砂浆中使用的沙子。

图3 涂上气凝胶涂料的化工储罐

同时也可将气凝胶粉体掺入涂料中，做成具有保温效果的保温涂料。气凝胶保温涂料主要用于建筑物的外墙表面，用于限制热桥热量损失。它的应用方式是通过在建筑物外墙上抹灰或喷涂，从而节省时间和成本。该涂层在10℃的温度下测得的热导率为0.027W/（m·K），密度为200kg/m3，比热为1100J/（kg·K）。

2.4 新型气凝胶玻璃

SiO2气凝胶制成的玻璃同时具有高透光性和低导热系数两种特性，可广泛用作建筑玻璃，可减少室内外热量对流，起到良好的保温隔热作用，又不影响室内采光。目前，SiO2气凝胶在建筑玻璃中有两种常用形式：一是双层玻璃的夹层中，二是作为玻璃的外镀膜。

Baetens[16]利用气凝胶颗粒研制出的高保温性能的玻璃窗，导热系数约为0.044W·m-1·K-1，比普通玻璃的导热系数要低得多，且具有良好的透光性。在办公楼应用这种气凝胶玻璃可制作幕墙，增加了进光量，节约了电能。Jensen[17]在两块4mm 厚的玻璃中间加入密度150㎏/m3、厚度为18mm 的单片硅气凝胶，通过实验测得改造后玻璃的传热系数为0.57W/(m2·K)。Schultz 等[18]将气凝胶做成真空夹板式平板，再放入两块玻璃之间，做成面积55cm×55cm，厚度1.5cm 的气凝胶玻璃，透光率达到了76%。也有学者Reim[19]在玻璃之间填充气凝胶颗粒，透光率达到88%，传热系数为0.4W/(m2·K)，但是气凝胶颗粒用量较大，成本较高。

Kim[20]等人在玻璃表面涂上气凝胶涂层，涂层为100μm 厚时的薄膜，透光率大于10%，导热系数低至0.016W/(m2·K)。气凝胶薄膜涂层降低导热系数效果明显，但是与空气和太阳光直接接触，易造成损坏，但总体成本低于夹层气凝胶玻璃。

图4 二氧化硅气凝胶玻璃

2.5 气凝胶混凝土和砂浆

Fickler[21]等首先在水泥基体中嵌入二氧化硅气凝胶颗粒的想法。随后Ratke[22]提出了气凝胶融入混凝土的新思路，新型的气凝胶混凝土具有良好的保温、防火、隔音等特殊性能。Mounir[23]等研究了纳米颗粒的添加对浆料和水泥砂浆行为的影响，他们以水泥质量的3%和10%的比例替代了无定形纳米二氧化硅，实验发现不同砂浆的抗压强度随着纳米二氧化硅用量的增加而增加，纳米二氧化硅使水泥浆体变厚，加速了水泥水化过程。

Biricik[24]研究了纳米二氧化硅（5%和10%）掺入砂浆中，发现含有纳米二氧化硅的砂浆的抗弯强度的增加高于硅烟和粉煤灰的相应试样。Fickler[21]等人观察了在高强度水泥基体中嵌入二氧化硅气凝胶颗粒，在保持良好隔热性能的同时，提高抗压强度的效果。结果表明，抗压强度在3.0～23.6MPa 范围内，导热系数在0.16～0.37W/(m2·K)。Jittabut[25]提出了有关纳米二氧化硅颗粒对抗压强度和导热系数影响的研究，他的结论是：水泥中掺入4%～5%的纳米二氧化硅是最合适的掺量，可提高抗压强度和降低的导热系数（0.42～0.57W/ (m2·K)）。

图5 预制气凝胶钢筋混凝土夹心保温墙板制造技术

Serina[26]等人研究了气凝胶与保温砂浆超高性能混凝土(I-UHPC)的结合。他们观察到，加入50%体积分数的气凝胶时，最小的抗压强度为20MPa，导热系数约为0.55W/(m2·K)。然而，当气凝胶含量增加到80%的体积分数时，特别是在较高的荷载下，样品的机械强度有急剧下降。因此，水凝胶改性的UHPC 稳定性可能不高，不适合作为一个独立的系统。

通过以上学者的研究发现，气凝胶可掺入混凝土，调控混凝土的保温、防火、防潮和隔音等性能，对于气凝胶在混凝土中的后续研究和广泛应用有重要的参考意义。

3 结语

气凝胶是目前表观密度最低的固体材料，具有优异的隔热保温性能。但是纯的气凝胶不能作为墙体材料，必须结合其他材料做成符合气凝胶材料才能用作保温墙体材料。本文综述了国内外近十年关于气凝胶在墙体材料方面的研究，主要集中在气凝胶墙板材料、新型气凝胶绝缘涂料、气凝胶玻璃和气凝胶混凝土砂浆。气凝胶复合材料相比于传统的保温墙体材料，具有更优异的保温隔热性能、密度小等，结合气凝胶和传统建筑材料的优良性能，使得气凝胶复合墙体材料可以更加广泛的应用在建筑保温系统中。